一種基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制策略

周洲+張立成+郝茹茹

摘 要： 在利用滾筒反力式制動性能檢測臺對汽車制動性能進(jìn)行檢測的過程中，由于粘砂滾筒附著系數(shù)較高，汽車在制動時(shí)，輪胎與滾筒之間會產(chǎn)生很大的摩擦力，容易發(fā)生剝胎現(xiàn)象。因此，合理采集汽車制動性能相關(guān)參數(shù)的同時(shí)，及時(shí)關(guān)停制動性能檢測臺驅(qū)動電機(jī)以保證被檢車輛的安全，成為汽車制動性能檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對現(xiàn)有的汽車制動性能檢測中各種控制方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，提出了一種基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制方法，提高了控制的實(shí)時(shí)性和靈活性，在采集到汽車制動性能相關(guān)參數(shù)的同時(shí)，最大限度地保護(hù)了車輛安全。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略穩(wěn)定有效，檢測精度高，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 制動性能檢測； 粘砂滾筒； DMA； 驅(qū)動電機(jī)

中圖分類號： TN06?34； TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）18?0152?03

Control method of drive motor in automotive brake tester based on DMA

ZHOU Zhou， ZHANG Li?cheng， HAO Ru?ru

（College of Information Engineering， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract： During the process of automotive brake performance test using the roller opposite force automobile brake tester， huge friction force is generated between the tire and the roller due to the high friction coefficient of sticking sand roller， which is prone to tire peeling. Thus， In order to ensure the vehicle safety， the drive motor of the tester is stopped timely as soon as a reasonable acquisition of braking performance parameters is achieved， which has become one of the key technologies of automotive brake performance test. The advantages and disadvantages of various control methods adopted in existing automotive braking performance test are compared. A real?time control method of drive motor in automotive braking performance tester based on DMA （direct memory access） is presented to improve the real?time characteristic and robustness of the control system， as well as protect the vehicle in the acquisition of brake performance parameters. The test results show that the proposed control method is stable and reliable， and has high detection precision and good application value.

Keywords： brake performance test； sticking sand roller； DMA； drive motor

0 引 言

汽車制動性能的好壞直接關(guān)系到駕乘人員及車輛的安全，重大交通事故的發(fā)生往往與車輛的制動性能不合格緊密聯(lián)系在一起，因此，在國家的相關(guān)法規(guī)和國標(biāo)中都把制動性能檢測作為機(jī)動車檢測的重要內(nèi)容之一[1?2]。

目前，滾筒反力式制動檢測臺是機(jī)動車安全技術(shù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)廣泛使用的專門用于檢測機(jī)動車制動性能的檢測設(shè)備，能夠?qū)ζ嚨闹苿勇省⒉黄胶饴省⒆铚实葏?shù)進(jìn)行檢測。該設(shè)備的粘砂滾筒一般具有較高的附著系數(shù)，可以用來模擬實(shí)際路面[3]。實(shí)際檢測過程中，滾筒反力式制動檢測臺的驅(qū)動電機(jī)帶動粘砂滾筒轉(zhuǎn)動，并利用摩擦力帶動被檢車輛的輪胎以相同的速度反向轉(zhuǎn)動，當(dāng)被檢車輛的輪胎在粘砂滾筒上進(jìn)行制動并出現(xiàn)滑移時(shí)，高附著系數(shù)的粘砂滾筒和輪胎之間會產(chǎn)生較大的摩擦力。如果在檢測系統(tǒng)已經(jīng)采集到汽車制動性能相關(guān)的參數(shù)后而沒有及時(shí)關(guān)停制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)的話，有可能會造成被檢車輛輪胎的損傷，發(fā)生“剝胎”現(xiàn)象。根據(jù)《GB21861?2008機(jī)動車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》的規(guī)定，在汽車制動性能檢測過程中，必須測得左右輪制動力最大差值。因此，制動電機(jī)的最佳關(guān)停時(shí)機(jī)應(yīng)該是在檢測系統(tǒng)測得同軸左右輪最大制動力或者同軸左右輪任一車輪發(fā)生抱死滑移時(shí)，這樣才能有效地保護(hù)被檢車輛的輪胎安全。

1 現(xiàn)有控制方法研究

目前，國內(nèi)的汽車安全性能檢測系統(tǒng)中常用的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制方法主要有以下幾種：

（1） 軟件控制方式。軟件控制方式又分為兩種：一種是通過軟件判斷制動力大小來控制電機(jī)停轉(zhuǎn)的方式，例如：如果檢測到的制動力大于一定值，如輪荷的60%，軟件便發(fā)出關(guān)停驅(qū)動電機(jī)的控制命令。該方式無法保證能夠測得最大制動力，而且，如果機(jī)動車的制動性能不符合國標(biāo)要求，制動力始終小于輪荷的60%，在制動踏板力逐步增大直至輪胎抱死時(shí)，制動臺檢測驅(qū)動電機(jī)仍然不會停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種情形下，高附著系數(shù)的粘砂滾筒對輪胎的損害極大，存在較大的安全隱患。另外一種方式是通過多線程方式進(jìn)行控制，即：主線程實(shí)時(shí)采集制動力數(shù)據(jù)，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集制動檢測臺第三滾筒的線速度，通過判斷第三滾筒的線速度來控制制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)停轉(zhuǎn)。由于Windows操作系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，同一操作過程獲得的時(shí)間片間隔不確定，經(jīng)歷同樣的時(shí)間，采集到的數(shù)據(jù)量可能不一致，容易發(fā)生驅(qū)動電機(jī)過早停轉(zhuǎn)，而檢測系統(tǒng)沒有采集到足夠多的數(shù)據(jù)。由于兩個(gè)線程分得的時(shí)間片也可能不均勻[4]，而且對于以VB為開發(fā)語言的檢測程序，多線程函數(shù)中需要避開VB Runtime，采用基于COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)API的調(diào)用，不穩(wěn)定因素比較多[5]。若采用定時(shí)器方式，由于Windows系統(tǒng)本身不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，再加上多任務(wù)運(yùn)行，實(shí)時(shí)性更差，WM_TIMER消息的優(yōu)先級也比較低，所以定時(shí)器并不能完全保證處理時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性[6]。

（2） 硬件控制方式。硬件控制方式是利用除信號采集電路和上位機(jī)控制系統(tǒng)以外的獨(dú)立的第三方硬件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對制動檢測臺第三滾筒信號的采集，計(jì)算出被檢車輛輪胎的線速度，再通過換算粘砂滾筒的線速度得出被檢車輛的車身速度，以此計(jì)算出被檢車輛制動過程中的滑移率，控制系統(tǒng)通過判斷滑移率是否符合一定的要求來控制制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)停轉(zhuǎn)。該控制方式相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，可以對制動檢測臺的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的關(guān)停控制，可靠性高。該控制方式的不足之處是需要另行設(shè)計(jì)控制電路，并且一旦該硬件控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會影響整個(gè)制動性能檢測系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3） 基于門限控制的滑移率實(shí)時(shí)控制方式[7]。該方式也是利用對滑移率的實(shí)時(shí)控制方法，通過對濾波后制動力檢測信號的實(shí)時(shí)分析，綜合應(yīng)用門限法思想，實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動電機(jī)停止時(shí)間的精確控制。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無需額外增加硬件電路，缺點(diǎn)是制動力檢測波形比較復(fù)雜，如引車員早踩、晚踩等情形，有可能出現(xiàn)無法捕捉到最大制動力的可能，會影響整個(gè)制動性能檢測的準(zhǔn)確性。

2 基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制

方法研究

2.1 DMA傳輸模式的優(yōu)點(diǎn)

DMA（Direct Memory Access）模式下的數(shù)據(jù)采集是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式，DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而是直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。利用DMA直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而不通過CPU進(jìn)行控制，是一種快速傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制[8?9]。在這種模式下，數(shù)據(jù)傳遞可以從適配卡到內(nèi)存、從內(nèi)存到適配卡或從一段內(nèi)存到另一段內(nèi)存，既不需要額外設(shè)計(jì)電路，也不存在上面描述的軟件控制方式存在的諸多不足。DMA控制器有以下三種方式與CPU分時(shí)使用內(nèi)存：

（1） 停止CPU訪問內(nèi)存：當(dāng)外設(shè)要求傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA控制器發(fā)送一個(gè)信號給CPU，停止CPU訪問內(nèi)存，同時(shí)獲得總線控制權(quán)。當(dāng)DMA控制器獲得總線控制權(quán)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU。

（2） 周期挪用：當(dāng)I/O設(shè)備沒有 DMA請求時(shí)，CPU按程序要求訪問內(nèi)存，一旦 I/O設(shè)備有DMA請求，則I/O設(shè)備挪用一個(gè)或幾個(gè)周期。

（3） DMA與CPU交替訪問內(nèi)存：一個(gè)CPU周期可分為2個(gè)周期，一個(gè)專供DMA控制器訪問內(nèi)存，另一個(gè)專供CPU訪問內(nèi)存，不需要總線使用權(quán)的申請、建立和歸還過程。

2.2 滑移率及其在汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制中的作用

通過對現(xiàn)有控制方法的研究可以看出，純粹的軟件控制方式數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、可靠性和安全性較低。在硬件控制方式和基于門限控制的滑移率實(shí)時(shí)控制方式中，都利用汽車制動時(shí)的滑移率大小作為控制制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)關(guān)停的依據(jù)，此依據(jù)符合相關(guān)國標(biāo)的要求，對驅(qū)動電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性好、可靠性高，是目前大部分控制方法的理論依據(jù)。

滑移率是指在車輪運(yùn)動中滑動成分所占的比例，假設(shè)用δ表示，則：

[δ=Vt-VaVt×100%] （1）

式中：[Vt]表示汽車的車身速度；[Va]表示汽車車輪的線速度[10]。在實(shí)際應(yīng)用中，車身速度用制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)帶動的粘砂滾筒的線速度代替，車輪線速度則通過計(jì)算制動檢測臺第三滾筒的線速度測得。

2.3 基于DMA的驅(qū)動電機(jī)控制策略

利用DMA模式下數(shù)據(jù)交換存取速度快、不占用CPU時(shí)間、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，結(jié)合滑移率在汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制中的重要作用，提出一種新的基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制策略，流程圖如圖1所示。

圖1 基于DMA的驅(qū)動電機(jī)控制流程圖

具體流程如下：

（1） 啟動電機(jī)，為了避免電機(jī)啟動瞬間帶來的電磁干擾，數(shù)據(jù)采集時(shí)間延時(shí)1 s。

（2） 參數(shù)設(shè)置，包括電壓增益、DMA觸發(fā)方式、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣通道等。

（3） 為DMA分配緩存，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型和采樣點(diǎn)數(shù)分配緩存大小。

（4） 啟動DMA，DMA啟動后，DMA控制器按照步驟（2）設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行高速采樣，采樣過程直到接收到采樣結(jié)束命令為止。如果在收到采樣結(jié)束命令前，采樣緩沖區(qū)已滿，軟件會將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)及時(shí)搬移，保證采樣數(shù)據(jù)的完整性。

（5） 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的同時(shí)，主線程開始采集汽車制動檢測臺左右第三滾筒脈沖信號，根據(jù)采樣信號算出第三滾筒的線速度，即被檢車輛輪胎的線速度。

（6） 由于驅(qū)動電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速和汽車制動檢測臺粘砂滾筒的直徑是固定值，因此可以得出被檢車輛的車身速度，結(jié)合步驟（5）中得出的被檢車輛輪胎的線速度，利用公式（1）就可以算出被檢車輛的實(shí)時(shí)滑移率。

（7） 根據(jù)設(shè)定好的判定條件，當(dāng)滑移率達(dá)到一定值時(shí)，關(guān)停汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)，并停止采集數(shù)據(jù)。否則，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，直到滑移率達(dá)到判定條件為止。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)際測試過程中，在不控制電機(jī)關(guān)停的情況下，駕駛員連續(xù)多次進(jìn)行制動?松開?制動?松開的操作，得到如圖2所示測量波形。由圖2可以看出，在汽車輪胎隨制動檢測臺粘砂滾筒正常轉(zhuǎn)動的過程中，制動檢測臺第三滾筒的線速度基本保持恒定，而滑移率接近0，此時(shí)制動力為0。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時(shí)，制動檢測臺第三滾筒的線速度急劇下降，而滑移率急速增大，同時(shí)制動力在不斷增大，當(dāng)滑移率達(dá)到80%左右的時(shí)候，制動力達(dá)到最大值。通過以上測試，設(shè)置當(dāng)滑移率達(dá)到80%的時(shí)候關(guān)停電機(jī)，得到測試波形如圖3所示。

圖2 連續(xù)制動時(shí)制動波形圖

圖3 基于滑移率判斷的制動波形圖

由圖3可以看出，在滑移率達(dá)到80%時(shí)關(guān)停電機(jī)，即可以采集到最大制動力，又可以及時(shí)的關(guān)停電機(jī)，有效地保護(hù)被檢車輛的安全。

4 結(jié) 論

本文提出的基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制策略與現(xiàn)有的控制方法相比，不需要額外設(shè)計(jì)控制電路，在保證數(shù)據(jù)采集的完整性的同時(shí)，又提高了對驅(qū)動電機(jī)控制的實(shí)時(shí)行和可靠性。在實(shí)際測試和應(yīng)用中，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確，在保證檢測數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的同時(shí)，又能夠很好地保護(hù)被檢車輛的安全，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[10] 郝茹茹.汽車ABS整車臺架檢測方法與試驗(yàn)研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

圖3 基于滑移率判斷的制動波形圖

由圖3可以看出，在滑移率達(dá)到80%時(shí)關(guān)停電機(jī)，即可以采集到最大制動力，又可以及時(shí)的關(guān)停電機(jī)，有效地保護(hù)被檢車輛的安全。

4 結(jié) 論

本文提出的基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制策略與現(xiàn)有的控制方法相比，不需要額外設(shè)計(jì)控制電路，在保證數(shù)據(jù)采集的完整性的同時(shí)，又提高了對驅(qū)動電機(jī)控制的實(shí)時(shí)行和可靠性。在實(shí)際測試和應(yīng)用中，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確，在保證檢測數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的同時(shí)，又能夠很好地保護(hù)被檢車輛的安全，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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[10] 郝茹茹.汽車ABS整車臺架檢測方法與試驗(yàn)研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

圖3 基于滑移率判斷的制動波形圖

由圖3可以看出，在滑移率達(dá)到80%時(shí)關(guān)停電機(jī)，即可以采集到最大制動力，又可以及時(shí)的關(guān)停電機(jī)，有效地保護(hù)被檢車輛的安全。

4 結(jié) 論

本文提出的基于DMA的汽車制動檢測臺驅(qū)動電機(jī)控制策略與現(xiàn)有的控制方法相比，不需要額外設(shè)計(jì)控制電路，在保證數(shù)據(jù)采集的完整性的同時(shí)，又提高了對驅(qū)動電機(jī)控制的實(shí)時(shí)行和可靠性。在實(shí)際測試和應(yīng)用中，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確，在保證檢測數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的同時(shí)，又能夠很好地保護(hù)被檢車輛的安全，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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